برق , مهندسی 858 بازدید

می‌توان گفت اولین ارتباطات از راه دور انسان امروزی از نوع ارتباطات نوری بوده‌ است. استفاده از علائمی خاص توسط دود یا بازتاب نور خورشید توسط آینه از دوران باستان گرفته تا اولین تلگراف‌های نوری و «فوتوفون» (Photophone) الکساندر گراهام‌بل، همگی ارتباطات نوری بودند که به دلیل کیفیت پایین انتقال نور در شب و نبود امکانات کافی به مرور زمان با نوع الکتریکی خود جایگزین شدند. اما امروزه با اختراع لیزر و انواع فیبرهای نوری با تلفات کم، رفته رفته ارتباطات نوری دوباره جای خود را در علوم مهندسی برق، ارتباطات و فناوری اطلاعات پیدا کرده‌اند. مخابرات نوری به دلیل ظرفیت بسیار بالایی که در انتقال سریع اطلاعات در مسافت‌های طولانی دارند، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این مقاله سعی داریم ابتدا تا انتهای یک لینک فیبر نوری (مخابرات فیبر نوری) را به طور ساده و مقدماتی بررسی کنیم. همچنین پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با روند تکامل و نسل‌های مختلف مخابرات فیبر نوری، نگاهی بر مقاله «مخابرات فیبر نوری — راهنمای جامع» و جهت آشنایی با شبکه‌های FTTX/FTTH نگاهی بر مقاله «FTTH چیست؟ — از صفر تا صد» داشته باشید.

طرحی از اختراع الکساندر گراهام‌بل به نام فوتوفون در سال ۱۸۸۰ میلادی

مخابرات نوری (فیبر)

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

لینک فیبر مخابرات نوری
بلوک دیاگرام یک لینک مخابرات فیبر نوری

بلوک فرستنده

از آنجا که در حال حاضر پردازش اطلاعات روی دستگاه‌های الکترونیکی و کامپیوترهای فعلی بر روی سیگنال‌های الکتریکی صورت می‌گیرد، سیستم‌های مذکور فقط سیگنال یا پالس‌های الکتریکی (الکترونیکی) را تولید و توانایی پردازش آن را دارند. البته انتظار می‌رود که با پیشرفت مدارات مجتمع فوتونیکی امکان استفاده از سیگنال‌های اپتیکی همه‌گیر شده و کامپیوترهایی تماماً نوری را داشته باشیم. با این حال با امکانات کنونی، می‌توان از ظرفیت سیستم‌های 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 می‌شود. در واقع سیگنال الکتریکی توسط مدولاتورهای الکترواپتیکی و منبع نوری (لیزر دیودی یا LED) منتشر می‌شود.

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.

انواع کانکتورهای فیبر نوری
انواع کانکتورهای فیبر نوری

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

فیوژن Fusion
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 می‌رود و به منزله سیم برای هدایت سیگنال‌های الکتریکی است. با تحلیل موجبری و معادلات موج الکترومغناطیسی می‌توان 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 می‌برد. جهات آشنایی کامل با فیبر نوری، به مقاله «فیبر نوری — به زبان ساده» مراجعه کنید.

بازتاب کلی در مرز هسته و پوسته فیبر نوری
انتشار نور در فیبر نوری توسط شکست و بازتاب کلی

شکافنده پرتو

برای انشعاب گرفتن از یک مسیر فیبر نوری از وسیله‌ای به نام تقسیم کننده یا «شکافنده پرتو» (Beam Splitter) استفاده می‌کنند. نکته مهم به هنگام استفاده از شکافنده پرتو توجه به مسئله توان است. شکافنده پرتو، توان ورودی را بین تعداد خروجی‌هایش به طور مساوی تقسیم می‌کند. به طور مثال در شکل زیر برای هر فیبر منشعب شده یک شانزدهم توان ورودی به آن کوپل می‌شود. 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.

شکافنده پرتو برای کاربرد در مخابرات فیبر نوری
نمایی از شکافنده پرتو ۱:۱۶

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 می‌کنند. توجه شود که دستگاه مذکور تقویت‌کننده نوری نبوده و سیگنال اپتیکی را از نو باز تولید می‌کند. 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 لینک‌های مخابرات نوری هستیم.

مدار بازسازی سیگنال
مدار بازسازی سیگنال

تقویت‌کننده نوری

همانطور که از نام یک تقویت‌کننده سیگنال بر می‌آید، وظیفه آن تقویت سیگنال ورودی و در‌ واقع افزایش توان به هنگام خارج شدن از آن است. یکی از تقویت‌کننده‌های بسیار پرکاربرد در مخابرات نوری «تقویت‌کنند‌ه‌های فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم» (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA) است.

Erbium Doped Fiber Amplifier
نمایی از یک دستگاه تجاری شده EDFA، کوپل سیگنال ورودی (۱۵۵۰𝑛𝑚) با سیگنال پمپ (۹۸۰𝑛𝑚) در داخل خود دستگاه صورت می‌گیرد.

به طور خیلی ساده اساس کار این تقویت‌کننده به این صورت است که عنصرهای اربیوم توسط طول موج مناسب با ناحیه جذب، تحریک شده و الکترون‌های آن به ترازهای بالاتر می‌روند. این الکترون‌ها برای اینکه به حالت پایه برگردند انرژی خود را به صورت فوتونی با طول موج نزدیک به طول موج مخابراتی ۱۵۵۰ نانومتر تابش می‌کنند. این فوتون‌ها انرژی خود را به سیگنال اپتیکی که از تقویت‌کننده می‌گذرد کوپل کرده و در نتیجه توان سیگنال اپتیکی تقویت می‌شود.

EDFA
تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم

بلوک گیرنده

بلوک گیرنده آخرین قسمت از یک لینک مخابراتی محسوب می‌شود. در این بلوک سیگنال اپتیکی توسط آشکارساز نوری (فوتودیودها) آشکار شده و به وسیله آن تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود. سیگنال الکتریکی توسط تقویت‌کننده الکترونیکی تقویت و بازسازی شده و در نهایت توسط سیستم کاربر پردازش می‌شود.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی برق، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای ۳ نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *