تحقیق درباره فیبرنوری

فیبر نوری یک موجبر استوانه‌ای از جنس شیشه یا پلاستیک که دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی تشکیل شده است

مقدمه :

بعد از اختراع لیزر در سال 1960 میلادی ، ایده بکارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت.

خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال 1966 همزمان در انگلیس و فرانسه با تضعیفی برابر اعلام شد که عملا در انتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود، تا اینکه در سال 1976با کوشش فراوان محققین ، تلفات فیبر نوری تولیدی شدیدا کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیمهای کواکسیکال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود.

در ایران در اوایل دهه 60 ، فعالیتهای تحقیقاتی در زمینه فیبر نوری در مرکز تحقیقات منجر به تأسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران گردید و عملا در سال 1373 تولید فیبر نوری با ظرفیت 50.000 کیلومتر در سل در ایران آغاز شد. فعالیت استفاده از کابلهای نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران شروع شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم متصل شوند. انتشار نور تحت تأثیر عواملی ذاتی و اکتسابی ذچار تضعیف می‌شود. این عوامل عمدتا ناشی از جذب ماورای بنفش ، جذب مادون قرمز ، پراکندگی رایلی ، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها هستند.

فیبرهای نوری نسل سوم چه ویزگی هایی دارند

طراحان فیبرهای نسل سوم ، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای حداقل تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها ، محققین از حداقل تلفات در طول موج 1.55 میکرون و از حداقل پاشندگی در طول موج 1.3 میکرون بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتا پیچیده‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم ، که حداقل پاشندگی ان در محدوده 1.3 میکرون قرار داشت، به محدوده 1.55 میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی.اس.اف ساخته شد.

کاربردهای فیبر نوری چیست

کاربرد فیبر نوری در حسگرها

استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه گیری کمیتهای فیزیکی مانند جریان الکتریکی ، میدان مغناطیسی ، فشار ، حرارت ، جابجایی ،آلودگی آبهای دریا ، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سالهای اخیر شروع شده است. در این نوع حسگرها ، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره گیری می‌شود، بدین ترتیب که خصوصیات فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر می‌شود.

تصویر

کاربردهای فیبر نوری در  نظامی

فیبرنوری کاربردهای بی شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار ، کنترل و هدایت موشکها ، ارتباط زیر دریاییها (هیدروفون) را نام برد.

کاربردهای پزشکی فیبر نوری

فیبر نوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دزیمتری غدد سرطانی ، شناسایی نارساییهای داخلی بدن ، جراحی لیزری ، استفاده در دندانپزشکی و اندازه گیری مایعات و خون نام برد.

فناوری ساخت فیبرهای نوری

برای تولید فیبر نوری ، ابتدا ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش سازه از جنس سیلیکا ایجاد می‌گردد و سپس در یک فرآیند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌گردد . از سال 1970 روشهای متعددی برای ساخت انواع پیش سازه‌ها بکار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب دهی لایه‌های شیشه‌ای در اخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.

روشهای ساخت پیش سازه

روشهای فرآیند فاز بخار برای ساخت پیش سازه فیبرنوری را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

    رسوب دهی داخلی در فاز بخار

    رسوب دهی بیرونی در فاز بخار

    رسوب دهی محوری در فاز بخار

موادلازم در فرآیند ساخت پیش سازه

    تتراکلرید سیلسکون: این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرآیند مورد نیاز است.

    تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش سازه استفاده می‌شود.

    اکسی کلرید فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش سازه ، این مواد وارد واکنش می‌شود.

    گاز فلوئور: برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می‌شود.

    گاز هلیوم: برای نفوذ حرارتی و حباب زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.

    گاز کلر: برای آب زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است .

مراحل ساخت فیبر نوری

    مراحل صیقل حرارتی: بعد از نصب لوله با عبور گازهای کلر و اکسیژن ، در درجه حرارت بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می‌شود تا بخار آب موجود در جدار داخلی لوله از آن خارج شود.

    مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر ، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می‌شود تا ناهمواریها و ترکهای سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند.

    لایه نشانی ناحیه غلاف: در مرحله لایه نشانی غلاف ، ماده تترا کلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گازهای هلیوم و فرئون وارد لوله شیشه‌ای می‌شوند ودر حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلیمتر در دقیقه در طول لوله حرکت می‌کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می‌کند.

    ذرات شیشه‌ای حاصل از واکنشهای فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده و بر روی جداره داخلی رسوب می‌کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آنها اعمال می‌شود. بطوری که تمامی ذرات رسوبی شفاف می‌گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده و یکنواخت می‌شوند. بدین ترتیب لایه‌های شیشه‌ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله ایجاد می‌گردد و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می‌دهد.

تحقیق در باره فیبر نوری 

مقدمه:    سرعت تحولات و پيدايش فناوري هاي نوين ، تنوع خدمات پيشرفته و تقاضاي فزاينده براي اين خدمات ، لزوم استفاده بهينه از منابع مالي و انساني و گسترش روز افزون بازار رقابت ، موجب گرديده تا نگرش به صنعت مخابرات در قياس با ساير صنايع متفاوت باشد . اين نگرش هوشمندانه مبين اين واقعيت است كه فناوري اطلاعات و ارتباطات ، نيروي محـركـه تــوسعه در همه ابـعـاد اسـت و ايـن مـهم ، ضـرورت هاي توسعه را متجلي مي گرداند .

در اين راستا شركت ارتباطات زيرساخت در برنامه هاي پنجساله، توسعه شبكه هاي مخابراتي مبتني بر فناوري نوري را در دستور كار خود قرار داد :

اهداف طرح

1-    پاسخ دهي به نيازهاي ارتباطي برنامه هاي توسعه‌ي كشور

2-    بستر سازي براي حضور شركت هاي دولتي و غير دولتي در بازار مخابرات

3-    سوق دادن جامعه به سمت جامعه اطلاعات

4-    سرعت بخشيدن به توسعه اقتصادي و اجتماعي

5-    ارائه خدمات مورد نياز جامعه در حد مطلوب

6-    رفع موانع و تنگناها براي پياده سازي دولت الكترونيكي

7-    حضور موثر در دهكده جهاني

8-    ايجاد زيرساخت لازم براي تجارت الكترونيكي

9-    ايجاد شاهراه ارتباطي جهت حمل ترافيك

10- ايجاد قطب ارتباطات منطقه اي در داخل كشور و تقويت توان راهبردي

11- امكان حضور گسترده و فعال در تمام نقاط كشور از طريق نقاط حضور (POP)

12- حضور در بازار رقابتي

13- امكان دسترسي به شبكه هاي نوري يكپارچه

14- ايجاد شبكه يكپارچه مخابراتي توسعه پذير و قابل انعطاف

براي نيل به اهداف فوق ، نياز به بستر مخابراتي با پهناي باند وسيع و مطمئن است . در اين راستا فيبر نوري با مزاياي زير به كار گرفته شد :

1-                 تضعيف پايين

2-                 قيمت تمام شده مناسب

3-                 سهولت كار كابل كشي به دليل سبك بودن

4-                 عدم نويز پذيري

5-                 عدم تأثير ناپذيري از عوامل خارجي ( مانند ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي )

6-                 امنيت بالا به علت شنود ناپذيري (در مقابل سيستم هاي راديويي)

7-                 عدم همشنوايي

8-                 پهناي باند وسيع و مطمئن

9-                 شبكه سازي مطمئن با قابليت انعطاف

10-              قابليت ايجاد شبكه همگرا

11-               

لذا اكنون امكان ارائه خدمات مختلف در هر زمان و در هر مكان و براي هر كس فراهم آمده است.

شبكه يكپارچه نوري ايران با پهناي باندي در حدود ترا هرتز ( Tr Hz )متشكل از بزرگراه هايي براي ارسال و دريافت بهنگام اطلاعات است. بطوريكه بدون وجود اين فناوري دقيق و حساس ، امكان ارائه خدمات چندرسانه اي ميسر نيست . با وجود شبكه يكپارچه نوري ايران ، مي توان حجم اطلاعات بسيار زيادي را جابجا نمود و شركت ارتباطات زيرساخت ايران با استفاده از توانمندي هاي آن قادر است بعنوان قطب مخابراتي در منطقه عمل نموده و كشورهاي مختلف همسايه را نيز به هم متصل سازد .

خدمات بالقوه شبكه ملي فيبرنوري ايران

خدمات مخابراتي از اجزاء عمده اقتصاد ملي و جهاني بشمار مي روند زيرا علاوه بر
سود آوري هنگفت نقش اساسي و محوري در ارتقاء سطح اقتصادي ، اجتماعي و فرهنگي ايفا مي نمايند . به همين دليل شركتهاي بسياري راغب به سرمايه گذاري در بخشهاي مختلف شبكه مخابرات گرديده اند. اين سرمايه گذاريها گردش مالي مطلوب، ارائه خدمات متنوع وگسترده ، تبعات اجتماعي مانند ايجاد اشتغال ، بهبود وضع بهداشت و درمان ، ارتقاء سطح دانش عمومي و تخصصي ، امنيت ، صرفه جويي در وقت و انرژي و …بسياري ديگر را در پي دارند.

با توجه به اينكه شبكه يكپارچه نوري ايران واسط ميان شبكه هاي محلي، شهري و منطقه اي است  بخش مهمي از خدمات قابل ارائه از طريق شبكه ي نوري ايران مستلزم پيش بيني و عرضه اين سرويس ها در LAN ها و شبكه هاي شهري متصل به شبكه يكپارچه نوري ايران است كه عبارتند از  :

                                  v       ارسال داده با سرعت بالا

                                  v       تلفن تصويري

                                  v       ويدئو بر اساس تقاضا Video on – demand

                                                          v       پزشكي از دور

                                  v       آموزش از دور

                                  v       اينترنت پرسرعت

                                  v       ارسال متن ( Text )

                                  v       كنترل خانه از دور

                                  v       ارسال فايلهاي با حجم زياد

                                  v       ويدئو كنفرانس

                                  v       بانكداري الكترونيكي

                                  v       خريد از دور

                                  v       خدمات صوتي با كيفيت بالا

                                  v       خدمات چند رسانه اي ( Multi Media )

                                  v       ارائه پهناي باندهاي مختلف به متقاضيان بر اساس درخواست آنها

رويكردهاي فني

براي ايجاد يك شبكه مخابرات نوري كارآمد و نيل به اهداف برشمرده ، بايستي موارد زير در نظر گرفته شود :

1-    رعايت استاندارد هاي بين المللي

2-    استفاده از تجهيزات منطبق بر فناوري هاي روز

3-    رعايت اصول صحيح شبكه سازي

4-    استفاده مناسب از برنامه هاي نرم افزاري براي طراحي شبكه

5-    بهره گيري از نيروي انساني متخصص ، آموزش ديده و كارآمد

در اين راستا مشخصات تارهاي به كار گرفته شده در شبكه فيبرنوري كشور در برنامه هاي توسعه در مقاطع زماني مختلف، با توجه به استانداردها و فناوري روز و متناسب با توانايي توليد تجهيزات مخابراتي مربوطه انتخاب گرديد كه به شرح ذيل مي باشد :

تار تك مد single mode fiber (S . M)  مطابق با استاندارد G.652 :

اولين تار نوري كه به طور فراگير درشبكه هاي مخابراتي مورد استفاده قرارگرفت ، تارنوري SM براساس توصيه G.  652 اتحاديه بين المللي مخابرات  (ITU-T) است . اين تار در پنجره 1330  nm داراي پاشندگي صفر بوده و حداقل  تضعيف آن در پنجره 1550 nmاست . نكته قابل ذكر اين است كه درپنجره 1550 nm عليرغم تضعيف كم  ، پاشندگي درآن زياد بوده و در پنجره 1330  nm عليرغم پاشندگي صفر،   داراي تضعيف بالاتري است. اين نوع تار جهت كار درپنجره 1330 nm طراحي شده است وبا توجه به مسافت و نرخ بيت ارسالي روي آن درسالهاي اوليه استفاده از تارنوري كاربرد فراواني داشته است به طوريكه بخش اعظمي از شبكه هاي موجود مخابراتي از اين نوع تار استفاده مي نمايند و َدربرنامه پنج ساله اول توسعه نيز از اين نوع تار استفاده گرديده استَ .

با توجه به مقدار تضعيف اين تار درپنجـره 1330  nm كــه محدوديــت فاصله را درپي دارد  اسـتـفـاده از پـنـجـره 1550 nm به طور روز افزوني افزايش يافت . ولي به دليل پاشندگي بالائي اين نوع تار دراين

پنجره( شکل 1 ) وافزايش نرخ بيت هاي ارسالي ، عامل محدودكننده پاشندگي نيز خود را نشان داد.به اين دليل طراحان وتوليدكنندگان فيبرنوري ، فيبرنوري جديدي را طرح نمودندكه ضريب پاشندگي آن در پنجره 1550  nm صفر بود ، به عبارت ديگر ضريب پاشندگي صفر از پـنجـره 1330 nm بـه پـنجـره 1550  nm منتقل گرديد ، به همين دليل به اين تار جديد DSF(Dispersion –shifted  -fiber) مي‌گويند .

                  تار   DSF  مطابق با استاندارد G.653 :

با توجه به اينكه فيبرنوري درپنجره 1550nm، تضعيف كمتري نسبت به پنجره 1330  nm دارد
(شكل 2)  استفاده از اين پنجره توجه استفاده كنندگان را جلب نمود و توليد ادوات و تجهيزات نوري دراين پنجره افزايش چشمگيري پيدا كرد . به طوريكه در طول چند سال پنجره 1550 nm دركاربردهاي مخابراتي از اهميت ويژه اي برخوردارشد .

اين تار نوري با توجه به افزايش بيت ريت ارسالي وطول مسير ، توسط طراحان ارائه ودر شبكه هاي مخابراتي

براي فواصل طولاني مورد استفاده قرار گرفت .

شکل  2 - مشخصه پاشندگي تار DSF  و SM

شكل2مشخصهپاشندگياين‌تاررابرحسب طول موجومشخصه تار SM استاندارد را نشان مي‌دهد .  نياز روزافزون  ‌به ظرفيت ‌زياد و محدوديتفناوريهمتافتگري تقسيم زماني TDM (Time Division Multipxing) طراحانسيستمهاي مخابــراتي‌رابــه‌سـمـت‌استـفـاده‌ازفناوري‌جــديــدي بــه نـــام همتافتگري تقسيم طول موج WDM  (( Wave length Division Multiplexing و Dense –WDM  سوق داد .

در اين فناوري  امكان ارسال ، دريافت و يا ارسال و دريافت همزمان چند طول موج  نوري بر روي يك تار امكان پذير است . هر يك از طول موجها را يك كانال نوري مي نامند كه بطور مستقل اطلاعات مجزايي را حمل مي نمايند .

  بدليل درخواست و كاربرد زيادفناوري  DWDM برروي تار نوري ، به منظور افزايشظرفيت شبكه‌هاي مخابراتي ، محدوديتهايي درانتقال اين فناوري  از طريق تار DSF  بروزنمود . اين محدويتها درتار SM استاندارد كمتر از تار DSF بود . ليكن محدويت قبليتار SM استاندار كه هماناپاشندگيزياد آن دراين پنجره بودكماكان وجود داشت . محدوديت هاي تار DSF جهت  بكار گيري فناوري  DWDM بدليل بروز اثرات غير خطي شيشهاستكه اين اثرات غير خطيعبارتند از :

-اختلاط چهار موجي    -  Four    wave   mixing                     (FWM)

- خود مدوله سازي فاز                   -  Self   Phase    Modulation              (SPM)

- مدوله سازي متقاطع فاز                         -  Cross  Phase    Modulation            (XPM)

- پراكنش «رامان» انگيخته                    -  Stimulated   Ramman   Scatering   ( SRS)

- پراكنش «بريلويين» انگيخته                -  Stimulated  Brilluin    Scatering     (SBS)

پديده‌ي اختلاط چهار موجيFWM   در پاشندگي صفربيشترين تاثير را خواهد داشت . اين پديده سبب بروز مولفه‌هاي نوري ناخواسته (طول موجهاي نوري جديد) مي گردد كه درصورت زياد بودن تعداد طول موجها و كم بودن فاصله آنها تعداد اين مولفه‌ها و مزاحمت آنها بيشتر مي گردد  زيرافيلتر كردن طول موجهاي مطلوب به سختي انجام شده و گاهاً اين طول موجهاي ناخواسته دقيقاً روي طول موجهاي اصلي قرار مي گيرد كه به هيچ وجه قابل فيلتر كردن نبوده وسبب هم شنوايي مي گردد . به اين دليل تار DSF  داراي محدوديت زيادي براي به كارگيري درسيستمهاي DWDM  است.

خود مدوله سازي فاز SPM  پديده ديگري استكه دراثر چگالي نوري زياد درمحيط انتقال شيشه بوجودمي آيد . SPM بدليل وابستگي ضريب شكست شيشه به توان نوري ودرنتيجه وابستگي سرعت انتقال نور درشيشه به توان آن بوجود مي آيد . به اين ترتيب با تغيير توان نوري تغييرات فازي بوجود آمده دراثر تغيير سرعت به ترتيبي خواهد بود كه سبب پهن شدگي پالس مي گردد كه اصطلاحاً بـــه آنجابه جايي سرخ  red-shift و
جابه جايي آبي blue- shift  مي گويند .  اين پديده بيشتر درسيستمهاي تك كاناله با نرخ بيت بالا مزاحمت ايجاد مي كند .

يكي ديگر از اثـــرات غــيـر خــطي، پديده مدوله سازي متقاطع فاز  (XPM)است كه درسيــستمهاي چند كاناله (WDM , DWDM) سبب جفت شدگي فاز ي بين كانالها و پهن شدگي پالس مي گردد .

دو پديده پراكنش نوع SRS و SBS ، بيشتر درزمينه تضعيف انرژي نوراني اثر مي گذارد كه به علت بالا بودن توان نوري تغذيه شده به فيبر بوجود مي آيد .

با  توجه به محدويتهاي برشمرده درفوق طراحان تارنوري، پژوهش گران اقدام به طرح و توليد تار نوري جديدي به نام تار با جابه جايي پاشندگي غير صفر NZDSF نمودند كه در محدوده 1550nm فاقد پاشندگي صفر بوده و سطح مقطع موثر آن(Core- Effective- Area) نسبت به تار DSF بزرگتر بود .

تارNZDSF  مطابق با استانداردG .  655 :

اين تار همانطور كه از شكل  4 برمي آيد ، داراي پاشندگي صفر خارج از پنجره 1550nmاست . وبدين ترتيب پديده FWM درآن حذف مي شود . ضمناً بدليل بزرگ بودن سطح موثر آن بطوركلي اثرات غير خطي به ميزان قابل توجهي درآن كاهش مي يايد .

كاربرد عمده اين تار براي سيـستـمـهاي  DWDM   و WDM  است .                

لازم به ذكراست براساس اين توصيه مجموعه اي از تارهابه نام :

Larg    Effective  Area  Fiber   = LEAF

توسط توليد كنندگان مختلف تار نوري طراحي و توليد گرديد ه است كه هريك داراي

خصوصيات ويژه اي بوده و نسبت بهم داراي مزايا و معايبي هستند كه ضروري است هنگام بكارگيري اين نوع تارها براساس مشخصات سيستم وطرحهاي مربوطه تارمناسب انتخاب گردد .

درضمن برخي از توليد كنندگان تار نوري ، تحقيقاتي درراستاي حذف يون OH   انجام داده اند به ترتيبي كه در شكل 5  منحني تضعيف تارنوري ( 5 - الف ) به منحني (5 – ب ) تبديل شده وتضعيف اين تارها در محدوده مربوطه به ميزان قابل توجهي كاهش يافته است به طوريكه اين تارها داراي ضريب تضعيف حدود

0.17 dB/km مي باشند .

شكل 5 - منحني تضعيف تار نوري

لازم به ذكر است كه در بخشي از برنامه دوم توسعه و در كل برنامه سوم از تارهاي NZDSF 

استفاده گرديده است .