تحقیق مقاله تاریخچه مخابرات نوری

در طول سال های گذشته, شکل های گوناگونی از سیستم های مخابراتی ارائه شده است که علت اصلی پیشرفت ارسال و انتقال اطلاعات به فاصله ای دورتر و افزایش سرعت انتقال و حجم بیشتری از اطلاعات,‌ در واحد زمان که ”ظرفیت سیستم“  نامیده می شود,‌ بوده است.

تا سال 1887 که امواج الکترومغناطیس توسط هرتز1کشف شد, ‌تنها محیط انتقال, سیم ها بودند.

در سال 1895, اولین سیستم مخابراتی رادیویی توسط مارکونی ارائه شد.

در سیستم های الکتریکی, معمولاً انتقال اطلاعات پس از تبدیل سیگنال اطلاعات به یک موج الکترومغناطیسی که به آن موج حامل2 می گویند, صورت می گیرد. در این روش حجم اطلاعات قابل ارسال کرد,‌ به فرکانس موج حامل بستگی دارد. هر چه فرکانس موج حامل بیشتر باشد، پهنای باند یا ظرفیت آن‌ بیشتر است.

برای افزایش اطلاعات و همچنین, در اختیار داشتن سرویس های مخابراتی وسیع, باید پهنای باند فرکانسی وسیعی در دسترس بوده و برای افزایش پهنای باند, باید فرکانس افزایش یابد (یعنی طول موج کمتر).

طیف امواج نوری بین 50 نانومتر تا 100 میکرومتر می باشد که بخشی از آن حدود 400          تا 700 نانومتر, طیف نور مرئی می باشد.

فرکانس امواج نوری بین 1012 الی 1016 هرتز است. امواج نوری مانند امواج رادیویی در دو محیط انتقال, هوا و موج حامل, قابل استفاده است.

در سال 1958 , تئوری تقویت کننده های لیزری ارائه گردید. با این اختراع در سال 1960, منابع تشعشع الکترومغناطیسی همدوسی3 , در دسترس قرار گرفت و باعث گردید تا طیف مرئی قابل استفاده گردد.

با اختراع لیزر و مشاهده اینکه نور منتشره از لیزر شباهت زیادی با امواج الکترومغناطیسی ارسالی از یک فرستنده رادیویی دارد, فکر استفاده از لیزر برای انتقال اطلاعات به وجود آمد. فرکانس نور لیزر در حد 1014 ×5 هرتز است و ظرفیت اطلاعات آن تقریباً 105 برابر سیستم های مایکروویو معادل 10 میلیون کانال تلویزیونی است.

اولین محیطی که برای انتقال اطلاعات در سیستم های مخابرات نوری مورد استفاده قرار گرفت, جو یا اتمسفر بود که به علت اختلالات ناشی از شرایط جوی، نظیر رعد و برق، بارندگی، سرما و گرما و..., ضریب شکست هوا تفاوت می یافت‌ و تنظیم لنز عدسی ها به هم می خورد و شدت نور تغییر پیدا می کرد. در هوا میزان تلفات از نوع جذبی, بر حسب طول موج, متفاوت است.

با توجه به اشکالاتی که در انتقال نور در هوا و جود داشت، به فکر استفاده از هدایت نور توسط موج بر4 افتادند. در تلاش های ابتدایی, اشعه نور در طول مسافت طولانی هدایت گردید و این عمل با بکارگیری عدسی هایی که در لوله مناسبی قرار داده شده بودند انجام شد. به این ترتیب از تمایل اشعه به پخش در اطراف,‌ بر اثر شکست نور,‌ ممانعت به عمل آمد و از ورود شعاع های نور خارجی و رطوبت به آن جلوگیری شد. چنین سیستم هایی نیز به نتیجه مطلوب نرسید زیرا به علت لرزش زمین عدسی ها کمی جابه جا شده و مسیر نور تغییر می کرد.

به این ترتیب فکر استفاده از ” شیشه “ به عنوان محیط انتقال, مطرح گردید.

فرضیه استفاده از فیبرهای شیشه ای5  به عنوان محیط انتشار, در مقاله ای توسط ”Kaio  “ و ” Hockman “ که در لابراتورهای مخابراتی استاندارد انگلیس کار می کردند عنوان شد. البته شیشه های معمولی فقط تا چند متر قادر به انتقال نور می باشند و با افزایش ضخامت آن, نور در هنگام عبور به شدت تضعیف شده (چند هزارdb∕km) و مستهلک می گردید.

بعدها در سال 1966 ثابت شد که تضعیف زیاد, ناشی از کاربرد و انتخاب مواد فیبر شیشه نبوده بلکه مربوط به ناخالصی های موجود در فیبر شیشه,‌ نظیر آهن و مس و نیکل و سایر فلزات موجود در این مواد می باشد.

در سال 1970،” Kapron “ ، ” Keck “و” Maurer “، موفق به تهیه چند صد متر            فیبر تک مدی6 با تضعیف کمتر از 20 دسی بل بر کیلومتر شدند و در پایان سال 1972 فیبرهای چند مدی7، با تضعیفی کمتر از4 دسی بل بر کیلومتر نیز شناخته شد که پیشرفتی شایسته در این زمینه بود، زیرا چنین تضعیفی، معادل با افت ناشی از کابل های کواکسیال8 ساخته شده در آن زمان بود.

همزمان با پیشرفت تکنولوژی و رفع معایب موجود و استفاده از طول موج هایی در ناحیه 3/1 میکرومتر و 5/1 میکرومتر، مطالعات به سمت دستیابی به سیستم های انتقال با ظرفیت بالاتر منجرگردید.

طول موج های 850 ، 1310 ، 1550 نانومتر، به ”پنجره های فیبر“ معروف بوده و در این طول موج ها، کمترین تضعیف را می توان به دست آورد.

در سال 1983، فیبرهایی با تضعیف حدود2/0 دسی بل بر کیلومتر در طول موج 1550 نانومتر ساخته شد که کمترین تلفات در سیستم مخابراتی می باشد.

فیبر نوری از تمام محیط های انتقالی شناخته شده، دارای پهنای باند وسیع تر و افت کمتری می باشد. این ها دو مزیت عمده در ارزیابی سیستم های مخابراتی بشمار می رود. فیبر نوری که تا چند سال پیش(سال1980)، صرفاً جنبه آزمایشگاهی داشت، امروز نه تنها به مرحله تولید و ساخت رسیده بلکه تا پایان سال 1985 در حدود 5/1 میلیون کیلومتر کابل نوری در سراسر جهان نصب شده است. کابل های نوری مانند کابل های مسی می توانند به صورت هوایی، کانالی، خاکی و یا زیر دریایی نصب شوند. معمولاً طول کابل نوری بر حسب کاربرد آن، بین چند صد متر تا چند کیلومتر است می باشد. طول های کوتاه تر برای موقعی است که کابل در کانال کشیده می شود و کابل های با طول بلندتر به صورت هوایی و خاکی قابل نصب است.

برای خطوط انتقال بلندتر از طول کابل نوری، قطعات کابل فیبر نوری به یکدیگر پیوند زده می شوند.

 در ایران نیز اولین بار در اوایل سال 1360، فیبر تک مدی به طول 45 کیلومتر بین  تهران کرج با همکاری شرکت زیمنس آلمان، با افت 36/0 دسی بل برکیلومتر در طول موج 1310نانومتر به صورت کانالی کشیده شد.

فیبر نوری در زمینه کاربرد زیر دریایی نیز جایگاه ویژه ای دارد، به طوری که در سال 1988 دو قاره اروپا و آمریکا از طریق فیبر نوری زیر دریایی به هم مربوط شده اند.

همان گونه که مشاهده می گردد ارتباطات همواره در حال توسعه بوده است و در حقیقت نوع سرویس های جدیدی که ابداع گردیده، استفاده صحیح از پهنای باند مفید و نیز ساختمان شبکه ها که به شکل دیجیتال تغییر یافته و در دراز مدت به صورت  ISDN9 در خواهد آمد, موجب شده است که محیط های انتقال، مورد مطالعه بیشتری قرار گیرند که یکی از نتایج این مطالعه در زمینه محیط های انتقال فیبر نوری می باشد.

به جرأت می توان گفت بشر قرن بیست و یکم، سیستم های مخابرات نوری را به عنوان زیربنای اصلی شبکه مخابراتی جهانی خود تدارک دیده است.

اجزای مختلف یک سیستم انتقال فیبر نوری

تعریف سیستم انتقال فیبر نوری

تبدیل اطلاعات به شکل انتشار نور در مسیر یک فیبر نوری را سیستم انتقال فیبر نوری گویند.

رشته های نازک فیبر نوری، با توجه به ساختمان آنها که بعداً شرح داده خواهد شد، محیط مناسبی جهت انتقال امواج نورانی می باشد و می توان با استفاده از یک منبع نورانی در محدوده طول موج های 3/0 میکرون و 7/1 میکرون چندین هزار کانال تلفنی را توسط دو رشته فیبر نوری به راحتی منتقل کرد.

در سیستم ارتباط نوری منبع خبر، سیگنال های الکتریکی را که همان اخبار می باشد به قسمت الکتریکی فرستنده (ارسال الکتریکی)، می فرستد. این قسمت، منبع نور را به کار انداخته و مدولاسیون سیگنال های خبر را بر روی موج نوری باعث می گردد.

منبع نور، نوری متناسب با سیگنال های الکتریکی ورودی، یعنی سیگنال نوری خروجی ایجاد می کند که معمولاً لیزر و LED می باشد. به عبارت دیگر”منبع نور می تواند لیزر و یا LED باشد.“

سیگنال نوری وارد فیبر نوری شده که برای حفاظت فیبر در مقابل آسیب هایی که ممکن است در موقع نصب و بکارگیری به آن وارد شود آن را با پوشش های مختلف حفاظت کرده و به صورت کابل در می آورند.

کابل نوری، سیگنال نوری را در مقصد و یا در محل تقویت کننده ها 10 به گیرنده               می رساند که گیرنده نیز شامل آشکارساز نوری و گیرنده الکتریکی می باشد.

در آشکارساز نوری، سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل می گردد. برای این تبدیل از فتودیود PIN و APD استفاده می شود.

سپس آشکار ساز نوری، سیگنال الکتریکی را به گیرنده الکتریکی داده و به این ترتیب، دمدولاسیون موج نوری را باعث می شود. در قسمت گیرنده، سیگنال الکتریکی تا حد لازم جهت قسمتهای بعدی تقویت می شود.

در شکل(2) شمای کلی یک ارتباط، برای انتقال سیگنال دیجیتالی فیبر نوری را مشاهده می کنید.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)