مقدمه

ارتباطات همواره یکی از مهمترین مسائل جوامع انسانی از آغاز پیدایش بشر بوده است و رفته رفته با گسترش نیاز‌ها‌ی انسانی و توسعه جوامع این مهم بیش از پیش به زندگی انسان‌ها‌ وارد شده تا جایی که دنیای امروز را بی‌شک می‌توان دنیای ارتباطات دانست.

اگر چه انسان زمان بسیار زیادی را در فاصله پیدایش اولین روش‌ها‌ی ارتباطی نظیر آتش و دود تا روزی که الکساندرگراهام بل اولین امواج صوتی را بر روی زوج سیم مسی هدایت کرد، پشت سر گذاشته است، اما تنها یک قرن است که این چنین پیشرفت‌ها‌ی علم ارتباطات (و یا دانش مخابرات) ابعاد زندگی ما را احاطه کرده است.

همواره مهمترین عواملی که در پیشرفت ارتباطات مد نظر گرفته شده‌اند به این ترتیب بوده‌اند:

- کاهش هزینهٔ انتقال پیام در واحد طول (مسافت)

- کوچک کردن ابعاد وسایل ارتباطی

- افزایش سرعت و حجم انتقال اطلاعات

بی‌شک همین عوامل بودند که باعث پیشرفت خطوط انتقال مخابراتی در قرن اخیر از زوج سیم مسی به کابل هم‌محور (کابلی که امواج تلویزیونی را از آنتن گیرنده خانه‌تان به تلویزیون انتقال می‌دهد) و از آن به موج‌بر (استوانه یا مکعب مستطیل فلزی که امواج درون آن هدایت می‌شوند) و از آن به ارتباطات مایکرویو (بی‌سیم) و از آن به تغییر شکل سیگنال‌ها از حالت الکتریکی به نوری و در نهایت تبدیل تمام خطوط انتقال الکتریکی به نوری (همان فیبر‌ها‌ی نوری) شدند.

تاریخچه و مفاهیم اولیه

یکی ازفاکتورهای اساسی در تعیین ویژگی‌ها‌ی هر وسیله ارتباطی، فرکانس (یا طول موج) سیگنال انتقالی است. فرکانس هر سیگنال بیانگر تعداد نوسانات آن سیگنال در واحد زمان یعنی ثانیه است که بر اساس واحد هرتز (برگرفته از نام مخترع اولین آنتن فرستنده، هاینریش هرتز) اندازه‌گیری می‌شود. شاید ملموس‌ترین مثال برای درک مفهوم فرکانس، قلب انسان باشد. قلب هر انسان بالغ به طور متوسط در هر دقیقه۸۰ بار نوسان می‌کند (یا برای ادامه گردش خون ایجاد پالس می‌کند) که در هر ثانیه این رقم به ۱.۳۳ می‌رسد، یعنی قلب ما با فرکانس ۱.۳۳ کار می‌کند یا نوسان می‌کند. این در حالی است که گوشی تلفن همراه‌تان برای فرستادن اطلاعاتش سیگنالی با فرکانس ۹۰۰ میلیون هرتز تولید می‌کند.

بر اساس قوانین حاکم بر آنتن‌ها ابعاد آنتن با فرکانس سیگنال ارسالی‌ و یا دریافتی رابطهٔ عکس دارد. یعنی هر چه فرکانس سیگنال بیشتر باشد، ابعاد آنتن را می‌توان کوچک‌تر ساخت. بنابراین در وهلهٔ اول خواهان افزایش فرکانس سیگنال در جهت کاهش ابعاد هستیم. اما باید این حقیقت را مد نظر داشت که با افزایش فرکانس، پراکندگی سیگنال نیز بیشتر می‌شود. اما ببینیم این حقیقت به چه معناست. بیاییم انتقال سیگنال در زوج سیم مسی را در نظر بگیریم. در فرکانس‌های پایین فلزات برای امواج الکترومغناطیسی (سیگنال‌های اطلاعاتی بوسیلهٔ این امواج انتقال می‌یابند) همان نقشی را بازی می‌کنند که آیینه‌ها برای نور. بنابراین اگرچه انتقال سیگنال در خطوط انتقال و از جمله زوج سیم مسی با پیچیدگی‌هایی در ارتباط با علم امواج همراه است، اما به طور ساده می‌توان چنین تصور کرد که امواج در فاصلهٔ بین دو فلز زوج سیم احاطه شده و با انعکاس از دیواره‌های فلزی به جلو هدایت می‌شوند. اما افزایش پراکندگی دیگر اجازه احاطه شدن آن را بین زوج سیم مسی نمی‌دهد و به همین دلیل است که کابل آنتن تلویزیونی کابل هم‌محور (یا همان کواکسیال) است.

شکل ۱: کابل هم محور

همان گونه که از ساختار این کابل پیدا است، امواج الکترومغناطیسی بین دو استوانهٔ فلزی آن کاملاً احاطه شده و انتقال می‌یابند. اما با ادامه روند افزایش فرکانس سیگنال‌ها، حقیقت دیگری که خود را نمایان می‌کند، افزایش قدرت نفوذ امواج است. یعنی برای مثال اگر بتوان توسط ورق کاغذی سد راه امواج با فرکانس پایین شد، با افزایش فرکانس حتی ورق فولادی نیز قادر به منع انتشار امواج نیست. (از این خاصیت می‌توان در برش فولاد توسط لیزر استفاده کرد.) بنابراین دیگر فلزات احاطه کننده تنها نقش منعکس کننده را بازی می‌کند و قسمتی از سیگنال جذب دیواره‌ها می‌شود که این امر بیانگر افت در خطوط انتقال است و برای رفع آن باید از تعداد تقویت کننده‌ها‌ی بیشتری در مسیر انتقال استفاده کنیم که موجب افزایش هزینه‌ها می‌شود.

روند افزایش فرکانس، ما را وارد محدودهٔ فرکانسی نور می‌کند و خط انتقال آن یعنی فیبر نوری پا به عرصه وجود می‌گذارد. اگر چه هدایت نور از طریق انکسار نور (شکست نور)، که اساس ایجاد فیبر‌ها‌ی نوری است در سال ۱۸۴۰ توسط دو دانشمند Daniel Colladon and Jacques Babinet در پاریس به اثبات رسید، اما نزدیک به ۱۴۰ سال طول کشید تا نسل اول فیبر‌ها‌ی نوری به طور رسمی در شبکه تلفنی به کار گرفته شوند. این نسل از فیبرهای نوری اگر چه سیگنال نوری را تا چندین کیلومتر بدون تقویت کننده هدایت می‌کردند، اما تلفات در واحد طول آنها بسیار بیشتر از فیبرهای نوری امروزی بوده است.

فیبر نوری

هر رشته فیبر نوری از سه لایه استوانه‌ای شکل به نام‌ها‌ی هسته (Core) ، پوسته (Cladding) و محافظ (Coating Jacket) تشکیل شده است که هر یک از دو لایه درونی دارای ویژگی‌ها‌یی هستند که باعث هدایت نور و در عین حال احاطه شدن آن در هسته می‌گردند (شکل۲). برای درک چگونگی کارکرد فیبر‌ها‌ی نوری دانستن دو واقعیت از فیزیک نور ضروری است.

شکل ۲: فیبر نوری

1) بر اساس قانون اسنل-دکارت هر پرتو نور در مسیر انتشارش هنگام عبور از محیطی به محیط دیگر (در مرز دو محیط)، اگر به صورت عمودی به مرز برخورد نکند، می‌شکند و از مسیرش منحرف می‌شود و بسته به زاویه تابش (زاویه بین پرتو نور و خط عمود بر مرز) مقدار زاویه شکست متفاوت است.

۲) در فیزیک نور یکی از مهمترین ویژگی‌ها‌ی هر محیط ضریب شکست آن محیط است که از تقسیم سرعت نور در آن محیط بر سرعت نور در خلا ۱۰۸*۳ متر بر ثانیه به دست می‌آید. هر چه محیط غلیظ‌تر باشد ضریب شکست آن بیشتر است و بر عکس.

بر اساس رابطه اسنل-دکارت (یکی از روابط بنیادی و مهم در انتشار نور) اگر هنگام برخورد نور به مرز دو محیط، محیط دوم رقیق‌تر از محیط اول باشد و نور با زاویه تابش بزرگ‌تر از زاویه‌ای خاص (زاویه حد) به مرز دو محیط برخورد کند، به اندازه‌ای می‌شکند که دیگر وارد محیط دوم نشده و به طور کامل به محیط اول برمی‌گردد. به این اتفاق بازتابش کلی گویند که اساس کار فیبرهای نوری است. (همان طور که در شکل ۳ می‌بینید پرتوی دوم بیانگر برخورد با زاویه حد است. پرتوی اول که با زاویه‌ای کوچکتر از زاویه حد به مرز برخورد می‌کند با شکستی جزیی وارد محیط دوم می‌شود. این در حالی‌ است که پرتوی سوم که زاویه تابشش بزرگتر از حد است بطور کامل به محیط اول باز می‌گردد.)

شکل ۳: رابطه اسنل-دکارت (یکی از روابط بنیادی و مهم در انتشار نور)

در فیبر نوری جنس پوسته از موادی است که دارای ضریب شکست کوچک‌تری نسبت به هسته است (در نتیجه محیط رقیق‌تری است) با تغییر زاویهٔ تابش نور در ورودی فیبر، زاویه برخورد نور در مرز دو لایه هسته و پوسته را طوری تنظیم می‌کنند که برای پرتوی نور در هنگام برخورد به مرز دو لایه بازتابش کلّی رخ دهد و نور از هسته خارج نشود، بلکه با انعکاس از دیواره‌ها به جلو هدایت شود.

بی‌شک مهمترین مزیت فیبرهای نوری حجم بالای انتقال اطلاعات آنهاست. در حالی که کابل‌ها‌ی مسی ظرفیت محدودی برای انتقال اطلاعات دارند. کابل‌ها‌ی فیبر نوری تقریباً ظرفیت نامحدود دارند. همان طور که در شکل ۵ می‌بینید هر کابل شامل چند صد رشته فیبر می‌باشد که هر یک قادر به انتقال چندین پرتو نوری هستند. کافی است تنها با قدری تغییر در زاویهٔ تابش پرتو، دو پرتو نوری را از هم متمایز کنیم. (شکل۶)

شکل ۴: عبور پرتو نور در یک محیط شیشه ای (بازتابش کلی)

شکل ۵: برش مقطعی از فیبر نوری

پیشرفت‌ها‌

بی‌شک مهمترین تلاش‌ها در جهت بالا بردن کیفیت ارتباطات نوری در زمینهٔ منبع تولید پرتو نور یا همان لیزر (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) انجام گرفته است که به پیشرفت‌های چشم‌گیری در این زمینه انجامیده است. اما پیشرفت در زمینهٔ فیبر‌های نوری به تلاش در جهت بهتر کردن کیفیت محیط تشکیل دهندهٔ لایه‌های آن انجامیده است. همان طور که گفتیم در فیبر نوری مشخصات فیزیکی هسته و پوسته به گونه‌ای است که پوسته نقش آیینه را برای پرتو‌های نوری بازی می‌کند، آنها را در لایه هسته محبوس می‌کند و باعث انتقال آنها می‌شود. بنابراین هر محیطی‌که بتواند پرتوی نوری خاصی (منظور با فرکانسی خاص) را در خود محیط کند، می‌تواند نقش فیبر نوری را بازی کند.

شکل ۶: انتقال چندین پرتو نور از یک فیبر نوری

اگرچه تا به امروز تلاش‌ها‌ی بسیار زیادی در جهت تغییر کیفیت فیبر‌های نوری شده است اما هیچ کدام از آنها را نمی‌توان با کشف ساختار کریستال‌های فوتونی برابر دانست. کریستال‌های فوتونی (Photonic Crystals) در حالت کلی از تناوب (تکرار) ساختاری خاصی تشکیل شده‌اند که مرکب از دو ماده متفاوت با خواص فیزیکی‌ متفاوت است. در واقع همین تناوب است که به این ساختار‌ها خاصیتی متفاوت می‌دهد.

ویژگی این ساختارها به گونه‌ای است که در برابر پرتو نوری، با فرکانس خاص (که این فرکانس بر اساس ویژگی‌ها‌ی ساختار آن کریستال فوتونی تعیین می ‌شود) مانند آینه‌ای کامل عمل کرده و نور را منعکس می ‌کنند. با ایجاد تغیراتی اندک در این ساختارها و از بین بردن تناوب آن در محل‌هایی خاص می‌توان برای انتشار نور با همان فرکانس خاص راهی‌ ایجاد کرد و در آن پرتوی نوری را هدایت کرد. همان طور که در شکل‌های ۷ و ۸ می‌بینید ساختار متناوب نقش پوسته و قسمتی از ساختار که در آن تغییری ایجاد شده، نقش هسته را بازی کرده و نور در آن هدایت می‌شود.

شکل ۷: برش مقطعی از ساختار کریستال فوتونی

شکل ۸: فیبر نوری با ساختار کریستال فوتونی

مهمترین دلایل استفاده از کریستال‌های فوتونی حجم بسیار کوچک و تلفات بسیار اندک آنها در مسافت‌های طولانی است. از این رو است که تحقیقات بسیار گسترده‌ای در جهت پیشرفت و پیاده‌سازی آنها در بزرگترین مراکز تحقیقاتی مخابرات نوری در سراسر جهان در حال پی‌گیری است و روز‌به‌روز ساختار‌هایی با ویژگی‌های کامل‌تر برای استفاده در شبکه انتقال نوری پیشنهاد می‌شود.