پایان نامه فیبر نوری

پروژه دوره کاردانی

در رشته کامپیوتر گرایش نرم افزار

چکیده:

در این پایان نامه، ساختمان و شیوه ی عملکرد فیبر نوری مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا با بیان مزایا وکاربردهای فیبرنوری با این رسانه ی انتقال آشنا می شویم. درادامه با بررسی چند قانون فیزیک نور، چگونگی انتقال نور در فیبر نوری را مطالعه می کنیم. مطالب بعدی ، انواع مختلف فیبر نوری و چگونگی ساخت فیبر هستند.

در بحث شبکه بندی به وسیله ی فیبر، پس از مطالعه ی چگونگی کابل کشی به وسیله ی فیبر ها، به بررسی مدل های نوری و انواع توپولوژی های قابل به کارگیری در شبکه بندی به وسیله ی فیبر نوری می پردازیم. در پایان دو طرح عملی پیاده سازی شده، که در آن از فیبر نوری به عنوان رسانه ی انتقال استفاده شده است، مورد بررسی قرار می گیرد.

مقدمه:

طی سال­ها ، تکنولوژی جدیدی در زمینه­ی ارسال مخابرات از طریق کابل­ها ، به شکل فراینده مورد پذیرش واقع شده­است. در این­جا ، سیگنال­ها بر خلاف تکنولوژی کابل­مسی ، به کمک موجبرهایی موسوم به تارهای­نوری ، به شکل نوری ارسال می­شوند. این پدیده با دستیابی به اجزای نیمه­هادی مناسبی نظیر لیزرها ، دیودهای نور گسیل و دیودهای نوری توسعه یافت. همزمان با آن ، به­منظور تأمین نیاز­های تکنولوژی تارنوری، در سیستم­های انتقال­رقمی موجود نیز پیشرفت حاصل شد.

در دو دهه­ی اخیر ،مخابرات­نوری از طریق کابل­های تارنوری، رقیبی عمده برای سیستم ­های گذشته و موجود مخابراتی شده­است. با توانایی محیط انتقال تارنوری در ارسال اطلاعات با ظرفیت بالا و قدرت فرستنده­ی کم، این روند در سال­های آتی ادامه خواهدیافت، به­نحوی که با گذشت زمان وپیشرفت تکنولوژی ، سیستم مخابرات تارنوری ، جایگاه والاتری در شبکه­ی مخابراتی آتی خواهد­داشت.

این سیستم در چند سال اخیر وارد شبکه­ی مخابراتی ایران نیز شده و کاربرد آن در شبکه­ی بین شهری و همچنین بین مراکز تلفنی به نحو اجتناب ناپذیری در مقایسه با سایر سیستم­ها افزایش یافته­است. از جهت تولیدی نیز به همت برخی از مسئولین مخابرات کشور تلاش­هایی در زمینه­ی کابلی­کردن تارنوری و نیز شناخت لوازم سیستم تارنوری ، و در دانشگاه­ها و مراکز تحقیقاتی نیز آموزش­وپرورش در این زمینه آغاز شده­است.

این پایان­نامه شامل 5 فصل است.در فصل­اول بعد از مطالعه­ی تاریخچه­ی مخابرات­نوری ، به مقایسه­ی بین فیبرنوری و کابل­های مسی می­پردازیم. سپس کاربردهای تارنوری به صورت صوت در خطوط­تلفن، خطوط­ارتباطی در نیروگاه­ها و خطوط­راه­آهن و ارتباطات میدان رزم...، به صورت تصویر در پخش تلویزیونی و در بیت­های مداربسته ، تلویزیون­کابلی و...، برای انتقال­داده در سیستم­های رایانه­ای، در هواپیما­ها و کشتی­ها و...، و در احساس­کننده­ها بیان شده­است.

در فصل­دوم، فیزیک­نور و قوانین حاکم بر فیزیک نور موردبررسی قرار می­گیرد. سپس در مورد انتقال نور در فیبر نوری مطالبی بیان می­شود.

 فصل­سوم با بیان چگونگی­انتقال در رسانه­های انتقال و اساسأ اجزای مورداستفاده دراین انتقال ، شروع می­شود. در ادامه به­بیان عناصر خط انتقال فیبرنوری می­پردازیم.

در فصل­چهارم، با معرفی کوارتز  (دی­اکسید­سیلیسیم sic2 ( ، به­عنوان ماده­ی اصلی سازنده­ی شیشه مورد­استفاده در فیبرنوری، به مطالعه­ی انواع فیبرنوری از نظر شیوه­ی انتقال ، حفاظت ، روکش و ماده­ی سازنده می­پردازیم. درانتهای­فصل ، روشهای مختلف ساخت فیبرنوری بیان شده­است.

درفصل­پنجم، درباره­ی طراحی یک شبکه­ی فیبرنوری و چگونگی­اتصال فیبر­ های­ نوری به یکدیگر، صحبت شده­است.

1-1   تاریخچه­ی فیبرنوری :

 مخابرات با استفاده از نور در اوایل دوران پیشرفت بشری، از زمانی که بشر ابتدا با استفاده از علامت دادن با دست پیام خود را ارسال می کرد ، شروع شده­است. این خود به طور بدیهی یک نوع مخابرات نوری است و در تاریکی قابل اجرا نمی باشد. اطلاعات از فرستنده به گیرنده بر روی پرتو خورشید حمل می گردد.

 در سال 1880 الکساندرگراهام بل یک سیستم مخابرات نوری به نام فتوفون را اختراع                                                                                                    کرد. در این سیستم بل از یک آینه ی نازک که توسط صدا به لرزه در می آید استفاده نمود. نور خورشید منعکس شده از آینه، اطلاعات را حمل می کند. در گیرنده این نور خورشید مدوله شده به سلنیوم هادی نور اصابت می کند و در آن به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال الکتریکی در یک تلفن مجددأ به سیگنال صوتی تبدیل می گردد.

ابداع لامپ های ساخت بشر منجر به ساخت سیستم های مخابراتی ساده مثل چراغ های چشمک زن در کشتی و یا بین کشتی و ساحل، چراغ های راهنمای اتومبیل ها و یا چراغ های راهنمایی گردید. در واقع هر نوع چراغ راهنمایی در اصل یک سیستم مخابراتی نوری است.

در سال 1960 جزء کلیدی در سیستم های عملی تاری ، یعنی یک تار با کارایی مناسب ، وجود نداشت. هر چند که ثابت شده بود نور می تواند توسط یک تار شیشه ای هدایت شود، تار های شیشه ای موجود بیش از اندازه نور را تضعیف مینمود. در سال 1970 اولین تار نور واقعی با افت کم ساخته شد و مخابرات تار نوری عملی گردید. این موضوع درست 100 سال پس از آزمایش تیندال (John  tindall )  فیزیکدان انگلیسی بود که به مجمع سلطنتی نشان داد که نور می تواند در طول یک مسیر منحنی در بخار آب هدایت شود.

هدایت نور توسط تار های شیشه ای و توسط بخار آب ، شواهدی بر یک پدیده ی واحد هستند:

پدیده انعکاس داخلی کلی (total internal reflection )

1-2  مزایای تار های نوری

1-2-1   قیمت پایین:

        ماده ی اصلی برای تار های شیشه ای اکسید سیلیکون است که به وفور یافت می شود. بعضی از تار های نوری از پلاستیک شفاف، که به سهولت در دسترس است ، ساخته می شوند. اکثرأ مهمترین عامل قابل توجه هزینه است. از طرفی اگر یک تار خط تاری به دلیل یک حادثه و یا به دلیل ایجاد تغییراتی در سیستم قطع شود ، بلیستی یا محلهای قطع شده را پیوند داد و یا اتصال دهنده های جدید بسته شوند. این کار ها برای تار ها نیاز به وقت و تخصص بیشتری دارد تا برای سیم ها.

در نتیجه ، در طراحی سیستم هایی که احتمال تغییرات زیادی در آن می رود، هزینه ی نگهداری باید مورد توجه قرار گیرد.

1-2-2 استحکام کششی مناسب:

       اضافه کردن روکش پلاستیکی ، استحکام کششی یک خط انتقال تاری را زیاد میکند. در صورت لزوم ، برای باز هم بیشتر کردن استحکام می توان میله های فلزی در داخل کابل پلاستیکی قرار داد. ماده ی محکم کننده ی دیگر کولار(Kevlar) است که یک تار پلیمری ترکیبی ، با استحکام زیاد می باشد. علیرغم طبیعت آشکار شکنندگی شیشه، کابل های تار نوری بسیار نیرومند و قابل بکارگیری هستند.

1-2-3   پهنای باند وسیع:

 یکی از مزایای تار نوری ، توانایی آنها در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد ، چه به شکل دیجیتال و چه به شکل آنالوگ ، می باشد. به عنوان مثال ، یک تار واحد از نوع ساخته شده برای خدمات تلفنی می تواند داده ها را با میزان T3 یعنی 4407 مگا بیت بر ثانیه ، هدایت کند. این تار 672 کانال صوتی را ارسال می کند. تار های با ظرفیت حتی بیش از این هم در دسترس می باشند.

1-2-4 محافظت در مقابل تداخل و ترویج:

تار های نوری، شیشه یا پلاستیک ، عایق هستند. جریان الکتریکی در اثر سیگنال ارسالی و یا در اثر تشعشعات خارجی که به تار برخورد می کنند ، از آن نمی گذرد. به علاوه، موج نوری در داخل تار محبوس است، بنابراین هیچ تعدادی از موج نوری به بیرون نشت نمی کند که با سیگنال های موجود در سایر تار ها تداخل نماید. بر عکس،نور نمی تواند از کنار تار به داخل آن تزویج شود. نتیجه می گیریم که یک تار از تداخل و تزویج با سایر کانال های ارتباطی ، خواه نوری و خواه الکتریکی ، به خوبی محافظت شده باشد.

1-2-5  ایزو لاسیون کامل الکتریکی:

       تار های الکتریکی به دلیل عایق بودن ، پالس های الکترو مغناطیسی (EMP ) حاصل از انفجار های هسته ای را(که می تواند میلیون ها ولت در یک خط انتقال هادی القاء کنند) نمی گیرند و یا منتشر نمی کنند. پالس ولتاژ می تواند چندین مایل در طول سیم حرکت کند و بالاخره (به دلیل توانی که دارد) ابزار های الکتریکی موجود در انتهای مسیر را خراب کند. در محیط هایی که در آنها خطوط ولتاژ بالا وجود دارند، یک خط ارتباطی سیمس احتمالأ می تواند با افتادن روی این خطوط آنها را اتصال کوتاه کند و خسارت های قابل توجهی به بار آورد. این مسئله با وجود تار ها منتفی است. مزیت دیگر این است که تزویج نوری نیاز به زمین مشترک بین فرستنده ی تار نوری و گیرنده را منتفی می کند. به علاوه، امکان تعمیر تار در حالی که سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدار الکتریکی فرستنده و یا گیرنده باشد، وجود دارد. این مشکل ممکن است در موقع تعمیر یک کابل فلزی رخ دهد.

1-2-6  امنیت:

          تارها درجه ای از امنیت و پنهان بودن را عرضه می کنند. چون تار ها انرژی تشعشع نمی کنند، برای یک مزاحم ، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است. برای دسترسی به سیگنال ، تار می بایستی به طور فیزیکی شکسته شود. قطع تار، یا اتصال یک تار جدید به تار ارسال کننده ، دسترسی به پرتو را ممکن می سازد. در خلال چنین اصلاحاتی روی خط ، قدرت رسیده به گیرنده افت می کند. یک گیرنده ی حساس می تواند این تضعیف را اندازه بگیرد و وجود مزاحم را خبر دهد. برای بهبود دادن موفقیت در آشکار سازی ، مزاحمت سیستم به طور مداوم باید تحت نظر باشد.

1-2-7   مصونیت در مقابل خوردگی :

        خوردگی به دلیل آب یا مواد شیمیایی ، برای شیشه ای که جایگزین مس شده است به مراتب بی اهمیت تر است. به هر حال آب نبایستی به شیشه نفوذ کند. برای کاربرد های زیر دریایی ، تارها در داخل کابل هایی قرار می گیرند که آنها را در مقابل آب محافظت می کنند.

1-2-8   غیر قابل اشتعال بودن:

        تار های شیشه ای ، خودشان می توانند درجه حرارت های شدیدی را بدون آنکه خراب شوند ، تحمل نمایند. درجه حرارت هایی نزدیک به 800 درجه ی سانتی گراد ، اثری روی تار شیشه ای نمی گذارد. همچنین ، چون الکتریسیته از فیبر های نوری عبور نمی کند ، بنابراین امکان بروز آتش سوزی پایین است.

1-2-9  وزن کم و قطر کوچک:

       مزیت دیگر فیبر های نوری ، کوچک بودن قطر آنهاست که باعث میشود فضای کمتری اشغال کنند. این ویژگی در هواپیما ها و سفینه های فضایی اهمییت بسزایی دارد. فیبر های نوری با توجه به قطر کم دارای وزن بسیار کمی نیز می باشند که این دو مسئله باعث میگردد طول بسیار زیادی از فیبر ها روی یک قرقره بسته شده و به سادگی حمل شوند. یک مقایسه بین فیبر نوری و کابل مسی نشان می دهد که 40 کیلومتر فیبر نوری دارای وزنی حدود 1 کیلوگرم است. در صورتی که 5/1 کیلومتر سیم مسی با قطر 32% میلی متر دارای وزن 1 کیلو گرم می باشد.

1-2-10   اتلاف پایین:

    اتلاف در فیبر های نوری نسبت به کابل های مسی بسیار کم بوده و به همین دلیل ، در هر 30 تا 120 کیلو متر به تکرار کننده نییاز داریم ، در حالی که در سیم های مسی در هر 5 کیلو متر یک تکرار کننده استفاده می شود. اتلاف فیبر هایی که هم اکنون به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرند ، در حدود 0/2  Db/km  می باشد. این میزان اتلاف در طول موج های مختلف متفاوت بوده و به چندین عامل بستگی دارد.

1-2-11  نصب و نگهداری آسان تر:

 با توجه به طول زیاد (چندین کیلومتر) وتضعیف کم در سیستم های فیبر نوری ، فاصله ی تکرار کننده ها در این سیستم ها نسبت به سیستم های کابل مسی بیشتر است. در نتیجه تعمیرات این کابل ها ساده تر و با هزینه ی کمتری انجام می گیرد و از آنجایی که تعداد مفصل ها نسبت به کابل های مسی کمتر است و هر مفصل مقدار کمی اتلاف در سیستم ایجاد می کند ، در نتیجه خرابی کمتر بوده و نصب و نگهداری آسان تر می باشد.

1-2-12  فرستنده هایی با قیمت کمتر:

سیگنال در فیبر های نوری کمتر دچار اتلاف می شوند بنا بر این فرستنده هایی با قدرت کمتر می توانند به جای فرستنده های الکتریکی با ولتاژ بالا که برای سیم های مسی استفاده می شوند ، به کار روند و این باعث صرفه جویی در قیمت میگردد.

1-2-13  انعطاف پذیری:

       تارها و کابل های نوری نشان داده اند که به طور تعجب آوری محکم و انعطاف پذیر هستند. بعضی تار ها آنقدر نرم هستند که وقتی به دور منحنی با شعاع فقط چند سانتی متر پیچیده شوند ، قطع نمی شوند. تار ها غالبأ در موقع نگهداری و حمل به دور قرقره هایی که چنین شعاع انحنای کوچکی دارند ، محکم پیچیده می شوند. قابلیت انعطاف تار ها در مواردی از نصب که در طول مسیر انتقال پیچ های زیادی وجود دارد ، جالب توجه است. برای خمش های با شعاع انحنای زیاد ، تار ها ، نور را با تضعیف قابل اغماضی هدایت میکنند.

این انعطاف پذیری باعث می شود که در بسیاری از دوربین های دیجیتالی انعطاف پذیر ، برای اهداف زیر مورد استفاده قرار گیرد:

الف- تصاویر پزشکی : مانند استفاده در دستگاه های آندوسکوپی ، برونکسکوپی و لاپاراسکوپی

ب- تصاویر مکانیکی : بازرسی نقاط جوش مکانیکی در لوله ها و موتور های هواپیما ها ، راکت ها ، فضاپیما­ها و ماشین­ها که امکان دسترسی به آنها مقدور نمی باشد.

ج- لوله کشی خانه ها : برای دیدن راه های فاضلاب.

همان طور که گفته شد سیستم های فیبر نوری دارای مزایای بسیار زیاد بوده و در مقابل ، محدودیت ها و معایب بسیار کمی دارند که تعدادی از آنها عبارتند از:

1- زاویه ی انحنای رشته های فیبر نوری نباید از حد معینی بیشتر شود (مثلأ قطر انحنای آن از 30 سانتی متر کمتر شود) که در غیر این صورت ممکن است شکسته شوند.

2- کابل کشی فیبر های نوری و نصب کانکتور های آنها باید با دقت بسیار زیادی انجام شود ، در غیر این صورت اتلاف بسیار زیادی در سیستم ایجاد می گردد.

3- میزان کشش در فیبر های نوری نباید از حد معینی بیشتر شود.

1-3   کاربرد های مخابرات تار نوری:

 در مقایسه با زمانی که نوآوری های مهندسی برای پذیرفته شدن نییاز دارند ، معرفی و ارائه ی تارها به سیستم های در حال کار به طور سریع پیشرفت نمود. اولین مورد استفاده در مقیاس بزرگ ، خطوط تلفن بودند. فشار ها و فعالیت های زیاد برای توسعه ی خدمات ، و مناسب بودن تار ها برای مخابرات صوتی ، دست به دست هم دادند تا طراحی و آزمایش تجهیزات تلفنی عملی را شتاب دهند. تجربه ی تلفن ، قابلیت اطمینان و عملی بودن و مخابرات تاری را نشان داد. این تجربه همچنین روش های طراحی سیستم و ابزاری را فراهم نمود که در سایر کاربرد ها می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

اندازه ی کوچک و ظرفیت بالای حمل اطلاعات تار های نوری آن ها را در سیستم های تلفنی به عنوان جانشین کابل های مسی با جفت سیم های تابیده شده ی متداول ، جالب توجه می کند. به علت تضعیف کم ، فاصله ی بین تکرار کننده ها در یک سیم تاری می تواند بیش از فاصله ی متناظر در یک خط کابلی هم محور باشد. هنگامی که فاصله ی زیاد بین تکرار کننده ها مقدور است ، صرفه جویی قابل ملاحظه ای در هزینه نصب و نگهداری به دست می آید.

          نظر به این که در سیستم های تاری تکرار کننده ها می توانند خیلی دور از یکدیگر قرار گیرند ، خطوط ارتباطی می توانند طراحی گردند که اقیانوس ها را به یکدیگر مرتبط می کند. وزن کم کابل های تاری ، در مقایسه با خطوط هم محور ، به آنها مزیت ممتازی برای کاربرد های کابل زیرآبی به دلیل سهولت نسبی در حمل و نصب تار ها می دهد.

         ((شهر سیم کشی شده)) به جامعه ای اطلاق می شود که در آن هر خانه ای دسترسی الکترونیکی به تعداد زیادی خدمات اطلاعاتی داشته باشد. وقتی ارتباطات نوری هستند ، عبارت ((شهر تار کشی شده)) دقیق تر است. چنین جامعه ای در ژاپن تحت برنامه های آزمایشی  Hi- OVIS  (سیستم اطلاعات تصویری نوری هیگاشی ایکوما)( Higash-IKoma Optical Visual Information system ) ایجاد شده است. اختصار      Hi-OVIS  همچنین بیان گر عبارت ((سیستم اطلاعات تصویری نوری خیلی فعال)) می باشد. این سیستم شامل یک مرکز اصلی، مرکز فرعی ، و پایانه های خانگی است که توسط خطوط انتقال نوری به هم متصل شده اند.

          سیستم Hi-OVIS در دو زمینه پیشگام شد : یکی ساده و عملی کردن چندین نوع از سیستم های مخابراتی تاری صوتی وتصویری ، و دیگر گسترش خدمات بسیار توسعه یافته ای که از منازل قابل دستیابی باشند.

          خطوط مخابراتی فلزی که در طول مسیر های قطار های برقی نصب می شوند ، متحمل تداخل الکترو مغناطیسی ناشی از برقی هستند که انرژی وسیله ی نقلیه را تأمین می کند. به دلیل ممانعت تار از پذیرش تداخل الکترومغناطیسی کیفیت سیگنال هایی که از تار نصب شده در مسیر عبور می کنند ، نزول نمی یابند.

  کاربرد هایی که اساسأ تصویری هستند ، مثل انتشار تلویزیونی ، تلویزیون کابلی (CATV ) ، مأموریت نظارتی و مراقبت از راه دور می باشند. صنعت انتشار تلویزیونی ، انتقال تاری را برای خطوط ارتباطی کوتاه ، مورد استفاده قرار می دهد. به عنوان مثال ، استودیو به فرستنده ، یا از محل واقعه زنده به ماشین حاوی تجهیزات ، یا مستقیمأ از محل یک واقعه زنده به استودیو.

سیستم های تلویزیونی کابلی ، تعداد زیادی کانال تلویزیونی رنگی را می گیرد و یا توزیع می کند. فواصل تحت پوشش از چند متر تا چندین متر می باشد. برای CATV ، استفاده از تصاویری که مدوله فرکانس شده اند (FM) و عرض باندی برابر 20 مگا هرتز  را اشغال می کنند ، متداول است.

در ارسال تصاویر برای سیستم های نظارتی و سیستم های مراقبت از راه دور ، تار نوری با کابل هم محور به طور موفقیت آمیزی رقابت می کند. ممانعت از EMI و قابلیت پذیرش پایین در مقابل خسارت ناشی از رعد و برق در این کاربرد ها مهم هستند. مثال های خاص عبارتند از نظارت بر نیروگاه ها ، نظارت بر نقاط کنترل بحرانی در طول یک خط آهن ، توقف گاه ها ، و نظارت بر اطراف تأسیسات نظامی.

سیستم های تاری مخصوصأ برای انتقال داده های دیجیتال ، به شکل داده هایی که توسط کامپیوتر تولید می شوند ، مناسب هستند. ارتباطات داخلی بین واحد پردازش مرکزی (CPU) و واحد های جانبی ، بین CPU و حافظه ، و بین CPU ها می توانند برقرار شوند. یک مثال خوب ، اتصال چند صد پایانه لامپ اشعه کاتدی (CRT) ، که در سر تا سر یک ساختمان چند طبقه قرار دارند ، به یک پردازشگر که در یک طبقه واقع شده است ، می باشد. وزن کم ، اندازه ی کوچک و ایمنی ناشی از عدم تشعشع خط انتقال ، تارها را برای انتقال داده ها به هر فاصله ای جالب توجه می­کند.

کاربرد های نظامی تار نوری زیاد است. این کاربرد ها شامل خطوط  ارتباطی  مخابراتی ، فرمان و کنترل در کشتی ها و هواپیما ها ، خطوط  ارتباطی  داده ها برای ایستگاه های زمینی ماهواره ، و خطوط انتقال برای ارتباطات ایستگاه فرمان رزمی می باشند. مشخصات مهم تارها عبارتند از : وزن کم ، اندازه ی کوچک ، ممانعت از EMI  ، و عدم تشعشع سیگنال. در هواپیما ها و کشتی ها ، کم کردن خطرات برق گرفتگی ، آتش سوزی و جرقه ، دستاورد های قابل توجهی  هستند. مقاومت زیاد در مقابل خوردگی استفاده از تارها را در دریا ، در داخل کشتی و یا در اقیانوس را توجیح می کند. در کاربرد های جبهه ای تارهای سبک وزن ، کابل کشی را سرعت می بخشند.

یک کاربرد جالب موشک هدایت شده توسط تار است. در حالی که موشک در پرواز است ، تار از حلقه ای باز شده و با آن کشیده می شود. احساس کننده (Sensor) روی موشک از طریق تار اطلاعات تصویری را به ایستگاه کنترل زمینی متحرک ارسال می کند. باز هم از طریق تار ، فرامین از ایستگاه کنترل زمینی به موشک منتقل می گردند.