۱۹۳۴ م. اختراع فيبرهاى نورى

در زمان‌هاى گذشته، از نور به‌عنوان وسيله‌اى براى ارسال خبر مثل علائم آتش استفاده مى‌شد. همچنين از آئينه‌ها با انعکاس آن، اطلاعات رد و بدل مى‌کردند. امروز بقاياى اين‌گونه اطلاعات از نور و به‌وسيله علائم مثل پرچم نيروى دريائي، فانوس‌هاى دريائي، چراغ‌هاى راهنمائى و نورهاى قرمز به‌عنوان خطر و يا نور سبز به‌عنوان آزاد و صدها علائم نورى ديگر در بخش‌هاى مختلف علم و صنعت و زندگى انسان‌ها وجود دارد. در سال ۱۹۷۰ طريقه‌اى نورى که شامل يک‌سرى زنجير و برج و باروها در فرانسه که علامت‌دهنده متحرک بود، اطلاعات را ظرف ۱۵ دقيقه به فاصله ۲۰۰ کيلومترى ارسال کرد.


در سال ۱۸۸۰ آلکساندر گراهام‌بل (A. G. Bell) يک تلفن نورى که قادر بود صدا را به‌وسيله نور هدايت کند عرضه کرد. اما به خاطر وضعيت هواى متغير که اثر منفى روى کيفيت آن مى‌گذاشت کاربرد علمى نيافت. اندکى قبل از اختراع بل در سال ۱۸۷۰ جان تيندال (J. tyndall) فيزيکدان انگليسي، راه حل اين مسئله را پيشنهاد داد. وى نشان داد که نور مى‌تواند در جريان آب هدايت شود. او از تجربيات خود (اصل انعکاس کلى داخلي) استفاده کرد و هم‌اکنون در تارهاى نورى کاربرد دارد. اين آزمايش‌ها در زمينه مدولاسيون نور توسط بِل و هدايت نور به‌وسيله تيندال تا سال ۱۹۳۴ نورمن، آر، فرنچ تاونز (CH. H. Townes) برندگان جايزه نوبل، ليزر را تکميل کردند، که ابتدا در سال ۱۹۶۰ به‌وسيله تئودور.اچ.ميمن (T.H.Maiman) به شکل موفقيت‌آميزى مورد بهره‌بردارى قرار گرفت.


ساخت ليزرهائى از ماده نيمه‌هادى در سال ۱۹۶۲ امکان‌پذير شد. در همان زمان، اجراء گيرنده به شکل ديودهاى نورى نيمه‌هادى عرضه شد. مسئله باقى‌مانده، پيدا کردن وسيله‌اى مناسب براى انتقال بود. تحت تلاش‌هائى در جهت هدايت نور در موج‌بَرهاى توخالى با سطح آئينه‌اى توسط سيستم‌هاى پيچيده عدسى‌ها به عمل آمد. در سال ۱۹۶۶ چارلز.اچ.کااو (Ch.H.Kao) و جرج.آ.هاکهام (G. A. Hockham) در انگلستان کاربرد تارهاى شيشه‌اى را براى هدايت نور پيشنهاد کردند. ولى اين تارها نمى‌بايست مقادير تضعيف بالاتر از dB/Km ۲۰ را براى ساخت سيستم‌هاى انتقال نورى مناسب در فواصل مورد نظر نشان مى‌داد. حال آنکه در سال ۱۹۶۵، موج‌برهاى نورى هنوز داراى تضعيف‌هائى به ميزان dB/Km ۱۰۰۰ بودند. به هر حال در سال ۱۹۵۰، تارهاى شيشه‌اى براى انتقال مستقيم تصوير به فواصل خيلى کوتاه، در زمينهٔ فن‌آورى طب عرضه شد بودند. مؤسسه کورتينگ گلاس وُرکس (Corting Classworks) تارهاى ضريب شکست پله‌اى را در سال ۱۹۷۰ ساخت که داراى تضعيف کمتر از dB/Km۲۰ در طول موج ۶۳۳ نانومتر بودند ساخت تارهاى نورى با مقاطع ضريب شکست تدريجى در سال ۱۹۷۲، مقدار تضعيف را به dB/km ۴ تقليل داد. امروزه در تارهاى تک مدي، مقادير تضعيف تا dB/Km ۰/۲ در nm ۱۵۵۰ نانومتر به‌دست مى‌آيد. هم‌زمان در اجزاء فرستنده و گيرنده از جهت توان، حساسيت و دوام، پيشرفت محسوسى حاصل شد، مطابق با آن، فن‌آورى کابل همراه اتصالات دائم و موقت تارهاى نوري، امکان عرضه بدون مسئله اين وسيله انتقال جديد را فراهم کرده است.


نخستين فيبر نورى براى سرويس‌هاى تلفنى در کاربردهاى نظامى روى کشتى‌ها به سال ۱۹۷۳ در ايالات‌متحده آمريکا مورد بهره‌بردارى قرار گرفت. وسترن الکتريک (Western Electric) اولين سيستم فيبر نورى را در سال ۱۹۷۶ روى مِلک خود در آتلانتا آزمايش کرد. يک سال بعد، اولين آزمايش‌هاى منطقه‌اى توسط سيستم‌هاى بِل در شيکاگو به فاصله ۵/۲ کيلومتر و جنرال تلفن در لانگ بيچ به فاصله ۹km انجام شد. شرکت سيکور (Siecor) از ائتلاف ريمنس و کورتينگ گلاس ورکس، نخستين سازنده‌اى بود که در سپتامبر ۱۹۸۳، کابل‌هاى تک مدى را به يک شرکت تلفنى در نيويورک تحويل داد. زيمنس کار خود را با اولين مسير آزمايشى به‌ طول ۱/۲ کيلومتر به سال ۱۹۷۶ در مونيخ شروع کرد. که هنوز براى تلفن، تلويزيون و تلفن تصويرى (ويدئوفون) در حال بهره‌بردارى است. در سال ۱۹۷۷ نخستين ارتباط فيبر نورى ادره پست فدرال آلمان توسط زيمنس در برلين نصب شد. از سال ۱۹۷۸ کابردهاى جهانى اين فن‌آورى جديد با استفاده از تارهاى چند مدي، شروع شد. تا اين زمان بيشتر از يک ميليون کيلومتر تار با فن‌آورى کابل زيمنس در ۲۴ کشور جهان نصب شد.


يک چهارم قشر جامد بيرونى زمين را سيليسيم تشکيل مى‌دهد. فراوانى اين عنصر به دليل آن است که قشر زمين اساساً از کوارتز و ترکيبات آن با اکسيدهاى فلزى يعنى سيليکات‌ها تشکيل شده است. کوارتز ترکيب شيميائى دى‌اکسيدسيليسيم را مى‌گويند، بيشتر به شکل کوارتز ظاهر مى‌شود و يکى از اجزاء شن و ماسه است. کوارتز بلورى در خالص‌ترين شکل آن يعنى صخره بلورى که مانند آب شفاف است يافت مى‌شود. شيشه سيلکاى گداخته برخلاف کوارتز، بى‌شکل يا غيربلورى و ذوب شيشه‌اى جامد شده‌اى از دى‌اکسيدسيليسيم است که فقط به‌خاطر چسبندگى و غلظت زياد آن، جامد به شکل فزآينده‌‌اى نرم مى‌شود و مستقيماً از اين حالت بدون عبور از حالت مايع، شکل پودر در مى‌آيد.


اين مواد در کوره با حرارتى معادل ۲۰۰۰ْc سانتى‌گراد گرم مى‌شود و به حالت مذاب درمى‌آيد و تار را از بخش‌هاى مختلف که در دستگاه است مى‌کشند و پس از عبور از مسير مربوط به قرقره‌ها پيچيده مى‌شود. فيبرهاى نورى براى مصارف مختلف انتقال اطلاعات، هوائي، زميني، دفني، زيردريائى و همچنين کاربردى در بسيارى از صنايع را دارد. هر کدام از اين فيبرها داراى شرايط ساختمانى خاص خود مى‌باشند. مثلاً براى کابل‌هاى دفنى روى آن نوارهاى فولادى پيچيده مى‌شود تا در برابر جوندگان زيرزمينى محافظت شود.


تارهاى نورى از دو بخش اصلى تشکيل مى‌شود: هسته و پوشش ساخته شده از يک ماده شفاف نورى (شيشه سليکاى گداخته) و روکش هسته در مرکز فيبر نورى قرار دارد و براى هدايت نور ليزر به‌کار مى‌رود. هدايت موج فقط در داخل هسته امکان‌پذير است. زيرا ضريب شکست هسته n از ضريب شکست پوشش n2 بزرگ‌تر است. مدها (به امواج نورى که قادر به انتشار در تارهاى نورى هستند مد Mode مى‌گويند - امواج خاص) با انعکاس کلى مداوم در حد فاصله هسته و پوشش، درون هسته باقى مى‌ماند. روکش لايه‌اى است که ضمن توليد سطح پوشش را مستقيماً دربر مى‌گيرد. ضريب شکست روکش، از ضريب شکست پوشش بيشتر است، و بنابراين نور وارد شده ناخواسته به داخل پوشش پس از طى چندين متر در داخل پلاستيکى آن، جذب مى‌شود. براى مقايسه کابل‌هاى تلفنى گذشته با سيم‌هاى مس و فيبر نورى مى‌توان که يک مقايسه شگفت‌آور با کابل استاندارد نورى انجام داد.


کابل فلزى شامل ۹۰۰ جفت سيم به هم پيچيده مى‌باشد و قطر آن ۷۰ ميلى‌متر است. هر جفت سيم ۲۴ کانال صوتى را منتقل مى‌کند و با حساب ظرفيت کابل ۲۱۶۰۰ کانال است. يک فيبر نورى داراى قطرى ۷/۱۲ ميلى‌متر است که براى استفاده تلفن ساخته شده است و شامل ۱۴۴ تار است. ظرفيت کابل سيمى داشته و سطح مقطع آن ۳۰ مرتبه کمتر از آن است. مدولاتور دو کار اصلى دارد.


اول پيام الکتريکى را به شکل مناسبى تبديل مى‌کند. دوم اين پيام الکتريکى را برروى يک موج توليد شده توسط منبع حامل تأثير مى‌دهد. دو نوع مدولاسيون Modulstion وجود دارد.


آنالوگ - ديجيتال. سيگنال آنالوگ پيوسته است و فرم پيام اصلى را به‌طور دقيق بازسازى مى‌کند. اگر يک موج صوتى تک فرکانسى ارسال گردد و اين موج به يک ميکروفون داده شود. جريان الکتريکى توليد شده از آن، همان شکل موج صوت ورودى را خواهد داشت. ولى سيگنال ديجيتال يا روشن و يا خاموش است. در وضعيت روشن، معرف (عدد ۱) و در وضعيت خاموش (معرف صفر) است که بايت‌هاى سيستم ديجيتال هستند. پس از آن آنالوگ تبديل به رشته‌هائى از پالس‌هاى خاموش و روشن فرم‌هاى رمز شده يک پيام آنالوگ است. يک مبدل آنالوگ به ديجيتال پيام آنالوگ را به يک رشته ديجيتالى (عددي) تبديل مى‌کند اين جريان رمز‌گذارى شده و به نور تبديل مى‌شوند و توسط فيبرهاى نورى به ايستگاه گير، در مقصد حمل مى‌شود. در اين مرحله اطلاعات ارسالى از موج حاصل توسط آشکارساز استخراج مى‌گردد.


آشکارساز يا (Detector) موج نورى را به سيگنال الکتريکى تبديل مى‌کند. در يک سيستم الکترونيکى اين مرحله را فرآيند مدولاسيون مى‌گويند (در مدولاسيون رمز پالس حامل به‌صورت نوسان‌هاى کوتاه -پالس‌ها، که شامل اطلاعات رمزبندى شده است تشعشع مى‌کنند) که توسط يک مدار الکترونيکى تبديل مى‌شود. اين جريان به شکل جريانى است که براى مدوله کردن منبع نور در فرستنده به‌کار گرفته شده است. در اين مرحله داراى دو پيام هستيم، پيامى که شخص مى‌بيند يا مى‌شنود. براى دستيابى به اين امر، سيگنال الکتريکى بايد به موج صوتى و يا تصوير قابل رؤيت تبديل گردد. اين عوامل عبارت هستند از: بلندگو، تلفن براى پيام‌هاى صوتى و لامپ‌هاى اشعه کاتُدى مثل تلويزيون و نظير آن براى پيام‌هاى تصويري. شکل الکتريکى پيام که از پردازشگر سيگنال خارج مى‌شود مستقيماً قابل استفاده است. اين وضعيت موقعى پيش مى‌آيد که به‌عنوان مثال رايانه‌ها از طريق يک سيستم تارى به هم متصل باشند.


سيستم ارتباطات موج نورى
سيستم ارتباطات موج نورى