تعریف مخابرات نوری (فیبر)

مخابرات نوری (فیبر):

بلوک دیاگرام یک لینک مخابرات نوری را می توان در شکل زیر خلاصه کرد که شامل قسمت های عمده فرستنده، فیبر نوری، فیوژن، تقسیم کننده پرتو، مدار بازسازی سیگنال، تقویت کننده نوری و گیرنده است. در ادامه مروری بر قسمت های مختلف تشکیل دهنده شکل زیر خواهیم داشت.

بلوک دیاگرام یک لینک مخابرات فیبر نوری

بلوک فرستنده:
از آنجا که در حال حاضر پردازش اطلاعات روی دستگاه های الکترونیکی و کامپیوترهای فعلی بر روی سیگنال های الکتریکی صورت می گیرد، سیستم های مذکور فقط سیگنال یا پالس های الکتریکی (الکترونیکی) را تولید و توانایی پردازش آن را دارند.

البته انتظار می رود که با پیشرفت مدارات مجتمع فوتونیکی امکان استفاده از سیگنال های اپتیکی همه گیر شده و کامپیوترهایی تماماً نوری را داشته باشیم. با این حال با امکانات کنونی، می توان از ظرفیت سیستم های نوری در مخابرات در طول مسیر و ارتباط دو دستگاه بهره برد.

پس برای طراحی یک لینک مخابرات نوری، در ابتدا نیاز است که سیگنال الکتریکی حاوی اطلاعات اولیه، پردازش و تبدیل به سیگنال اپتیکی شود که این امر در بلوک دیاگرام فرستنده محقق می شود. در واقع سیگنال الکتریکی توسط مدولاتورهای الکترواپتیکی و منبع نوری (لیزر دیودی یا LED) منتشر می شود.

کانکتور یا کوپلر:
سیگنال اپتیکی که در واقع نوری مدوله شده یعنی حاوی اطلاعات است، توسط کانکتور یا کوپلر به فیبر نوری جهت انتشار کوپل می شود.

فیوژن:
در مسیرهای طولانی برای اتصال دو فیبر نوری به یکدیگر یا جایگزینی فیبر نوری جدید با فیبر آسیب دیده (شکستن هسته فیبر یا جویده شدن توسط موجوداتی نظیر موش) از روشی به نام «فیوژن» (Fusion) استفاده می کنند.

این روش، هسته دو فیبر نوری را توسط یک قوس الکتریکی قوی در یکدیگر ذوب می کند. باید توجه شود که قطر هسته های دو فیبر با یکدیگر همسان باشند تا از تلفات توان در نقطه اتصال فیوژن کاسته شود.

نمایی از دو هسته فیبر نوری که در دستگاه فیوژن قرار دارند.

فیبر نوری:
فیبر نوری به منظور هدایت نور یا همان سیگنال اپتیکی به کار می رود و به منزله سیم برای هدایت سیگنال های الکتریکی است.

با تحلیل موجبری و معادلات موج الکترومغناطیسی می توان به چگونگی انتشار نور به عنوان موجی الکترومغناطیسی در فیبر نوری پی برد. اما با نگاهی ساده از منظر اپتیک هندسی می توان گفت که نور از طریق شکست و بازتاب کامل نور در مرز بین «هسته» (Core) و «پوسته» (Clad) منتشر می شود.

نکته خیلی مهم به هنگام استفاده از فیبرهای نوری این است که از خم شدن بیشتر از زاویه مجاز جلوگیری کنیم، چرا که باعث شکست در هسته فیبر شده و در نتیجه تلفات توان را بالا می برد. 

انتشار نور در فیبر نوری توسط شکست و بازتاب کلی

شکافنده پرتو:
برای انشعاب گرفتن از یک مسیر فیبر نوری از وسیله ای به نام تقسیم کننده یا «شکافنده پرتو» (Beam Splitter) استفاده می کنند.

نکته مهم به هنگام استفاده از شکافنده پرتو توجه به مسئله توان است. شکافنده پرتو، توان ورودی را بین تعداد خروجی هایش به طور مساوی تقسیم می کند. به طور مثال در شکل زیر برای هر فیبر منشعب شده یک شانزدهم توان ورودی به آن کوپل می شود.

اگر توان سیگنال ورودی مقدار مناسب و کافی نداشته باشد، شاهد افت شدیدی در طول مسیر و در نتیجه از بین رفتن اطلاعات خواهیم بود.

نمایی از شکافنده پرتو 1:16

مدار بازسازی سیگنال در مخابرات نوری:
در مسیرهای خیلی طولانی که شاهد افت توان قابل توجهی در سیگنال اپتیکی هستیم، برای جبران این اتفاق از دستگاهی به اسم «مدار بازسازی» (Regenerator) یا «تکرار کننده سیگنال» (Signal Repeater) استفاده می کنند.

توجه شود که دستگاه مذکور تقویت کننده نوری نبوده و سیگنال اپتیکی را از نو باز تولید می کند. این دستگاه با تبدیل سیگنال اپتیکی به الکتریکی (O/E) و بازسازی و تقویت سیگنال الکتریکی، آن را دوباره به سیگنال اپتیکی (E/O) تبدیل کرده و به ادامه مسیر فیبر نوری کوپل می کند.

امروزه به دلیل پیشرفت و بهبودهایی که در منابع نوری لیزری و تولید فیبرهای نوری با تلفات بسیار پایین رخ داده است، کمتر شاهد به کارگیری دستگاه مذکور در لینک های مخابرات نوری هستیم.

تقویت کننده نوری:
همانطور که از نام یک تقویت کننده سیگنال بر می آید، وظیفه آن تقویت سیگنال ورودی و در واقع افزایش توان به هنگام خارج شدن از آن است. یکی از تقویت کننده های بسیار پرکاربرد در مخابرات نوری «تقویت کنند ه های فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم» (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) است.

نمایی از یک دستگاه تجاری شده EDFA، کوپل سیگنال ورودی (1550??) با سیگنال پمپ (980??) در داخل خود دستگاه صورت می گیرد.

به طور خیلی ساده اساس کار این تقویت کننده به این صورت است که عنصرهای اربیوم توسط طول موج مناسب با ناحیه جذب، تحریک شده و الکترون های آن به ترازهای بالاتر می روند.

این الکترون ها برای اینکه به حالت پایه برگردند انرژی خود را به صورت فوتونی با طول موج نزدیک به طول موج مخابراتی 1550 نانومتر تابش می کنند. این فوتون ها انرژی خود را به سیگنال اپتیکی که از تقویت کننده می گذرد کوپل کرده و در نتیجه توان سیگنال اپتیکی تقویت می شود.

تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم

بلوک گیرنده:
بلوک گیرنده آخرین قسمت از یک لینک مخابراتی محسوب می شود. در این بلوک سیگنال اپتیکی توسط آشکارساز نوری (فوتودیودها) آشکار شده و به وسیله آن تبدیل به سیگنال الکتریکی می شود.

سیگنال الکتریکی توسط تقویت کننده الکترونیکی تقویت و بازسازی شده و در نهایت توسط سیستم کاربر پردازش می شود.